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摘要：本文以綿竹市棋盘石隧道为依托，采用岩土工程专业数值分析软件FLAC3D，对穿越断层的隧道进行数值模拟。分析不同支护条件下，断层发生错动时隧道衬砌的受力变形情况。
关键字：断层，错动，衬砌
中图分类号： U455 文献标识码： A 文章编号：
工程概况
棋盘石隧道位于绵竹市清平乡棋盘村后缘山体，设计起点桩号K20+310，洞底标高964.400m，设计终点桩号K21+233，洞底标高991.900m，建筑限界净空（宽×高）9.0m×5.0m，隧道纵坡2.98%（单向坡）。隧道线型较顺直，进口轴线方向348°，在K20+700处弯曲，轴线方向变为355°，隧道全长923m，最大埋深211m，属深埋长隧道。
棋盘石隧道所处的四川盆地西北部的龙门山推覆构造带-中央断裂带中段，即映秀-北川主干断裂带上。隧道穿越区域分布有F22和F22-1断层，F22断层从隧道进口以外穿过，F22-1断层从隧道中部穿过。F22-1和F22断层属龙门山中央断裂带次级断层，两条断层在“5.12”大地震时均发生活动。文章根据该隧道所处的地质特征，采用有限差分数值模拟方法，计算分析该地层中不同的衬砌强度的隧道结构在活动断裂错动位移时的应力应变响应。
2模型建立
2.1建模思路
数值模拟中围岩采用IV级围岩物理力学参数，断层区采用弱化围岩强度的方法并参考规范V级软岩进行模拟，模型上断层宽度是41.1米，倾角77°。隧道模型初期支护厚度为25cm，二次衬砌厚度为45cm。隧道采用超前支护、锚杆支护及复合式衬砌，并采用提高喷射混凝土和二衬混凝土的强度参数来模拟喷、网、钢拱架及钢筋混凝土二衬的支护效果。其中二次衬砌每10m长度为一个节段，二衬变形缝宽度为30cm，并在断层与IV级围岩的两个接触面及模拟错动时的围岩错动面上设置变形缝。采用分界面模拟断层滑动面，分界面的法向刚度和切向刚度取10倍的周边单元体的法向刚度10，为25GPa，其余参数按V级围岩参数取值。穿越断层隧道断层错动模拟的基本过程为：①建立有限差分网格模型②模拟初始应力场③模拟隧道开挖支护过程④模拟计算断层错动20cm后隧道结构的应力变形状态。
表1.1围岩及支护结构模型材料参数表
2.2有限差分模型
三维模型的边界条件Z方向下边界固定，左右面X方向固定，前后面Y方向固定，上表面为自由面。模型宽98.5m，纵向长度140m，沿隧道纵向坡面倾角为21°。
3不同支护强度的隧道结构在断层错动时应力变形特征分析
3.1计算工况
本节主要研究不同强度的支护参数条件下曲墙式隧道在断层发生错动时的变形及力学响应。根据隧道的不同支护条件，本节分为三种不同支护强度进行计算分析，如表1.2所示。
表1.2计算工况
3.2计算结果分析
（1）不同支护条件下，二衬垂直方向位移等值图对比分析
从计算结果可以看出，随着隧道衬砌强度增大，位于上盘中隧道的整体强度增加，并且使得位于断层区（51.5m~92.5m）的竖向位移减小。在下盘区隧道二衬竖向位移在C30衬砌是为最大。
（2）不同支护条件下，二衬最大主应力等值图对比分析
工况1二次衬砌的最大主应力除了在上盘隧道端部边界处出现应力集中外，在二次衬砌外侧衬砌最大主应力基本以受拉为主，最大主应力值大小在200MPa以内；二衬内侧局部拱脚出现拉应力为-5.8499MPa；洞身二衬外侧局部拱顶及部分拱腰位置出现压应力,最大值为-1.0425MPa；上盘IV级围岩与断层接触面二次衬砌节段连接拱腰处出现应力最大值为1.4MPa，仰拱位置主应力为1.6213MPa；在断层与下盘接触位置，二次衬砌节段连接拱腰处出现应力集中，最大值为9.2179MPa。
工况2二次衬砌的最大主应力除了在上盘隧道端部边界处出现应力集中外，在二次衬砌外侧衬砌最大主应力基本以受拉为主，最大主应力值大小在200MPa以内；二衬内侧局部拱脚出现拉应力为-6.009MPa；洞身二衬外侧局部拱顶及部分拱腰位置出现压应力,最大值为-1.0675MPa；上盘IV级围岩与断层接触面的二次衬砌节段连接拱腰处出现应力最大值为1.6MPa，仰拱位置主应力为1.6502MPa；在断层与下盘接触位置，二次衬砌节段连接拱腰处出现应力集中，最大值为12.651MPa。
工况3二次衬砌的最大主应力除了在上盘隧道端部边界处出现应力集中外，在二次衬砌外侧衬砌最大主应力基本以受拉为主，最大主应力值大小在200MPa以内；二衬内侧局部拱脚出现拉应力为-6.1534MPa；洞身二衬外侧局部拱顶及部分拱腰位置出现压应力，最大值为-2MPa；上盘IV级围岩与断层接触面二次衬砌节段连接拱腰处出现应力最大值为1.5MPa，仰拱位置主应力为1.9952MPa；在断层与下盘接触位置，二次衬砌节段连接拱腰处出现应力集中，最大值为11.154MPa。
4结论
（1）在隧道上盘发生错动时，从二次衬砌的竖向位移来看，隧道衬砌强度越高，隧道衬砌的整体刚度、强度越大，上盘隧道衬砌竖向位移最大值越小，并且位于断层区的衬砌竖向位移值也越小。下盘竖向位移值属C30衬砌的最大。从三种支护下的竖向位移得出，C30衬砌隧道在断层错动时竖向位移沿隧道纵向变化较为平缓。
（2）从隧道衬砌的竖向应力可以看出，当忽略边界效应引起的应力，衬砌的强度越大时，隧道衬砌的竖向应力越大。
（3）从隧道衬砌的最大最小主应力来看，在上盘IV级围岩区衬砌强度越大时衬砌的主应力越大；在断层及下盘区衬砌主应力岁强度增大整体呈增大趋势，在C30衬砌时为最大。
作者简介：郇星超长安大学公路学院桥梁与隧道工程专业，隧道工程方向
关键字：断层，错动，衬砌
中图分类号： U455 文献标识码： A 文章编号：
工程概况
棋盘石隧道位于绵竹市清平乡棋盘村后缘山体，设计起点桩号K20+310，洞底标高964.400m，设计终点桩号K21+233，洞底标高991.900m，建筑限界净空（宽×高）9.0m×5.0m，隧道纵坡2.98%（单向坡）。隧道线型较顺直，进口轴线方向348°，在K20+700处弯曲，轴线方向变为355°，隧道全长923m，最大埋深211m，属深埋长隧道。
棋盘石隧道所处的四川盆地西北部的龙门山推覆构造带-中央断裂带中段，即映秀-北川主干断裂带上。隧道穿越区域分布有F22和F22-1断层，F22断层从隧道进口以外穿过，F22-1断层从隧道中部穿过。F22-1和F22断层属龙门山中央断裂带次级断层，两条断层在“5.12”大地震时均发生活动。文章根据该隧道所处的地质特征，采用有限差分数值模拟方法，计算分析该地层中不同的衬砌强度的隧道结构在活动断裂错动位移时的应力应变响应。
2模型建立
2.1建模思路
数值模拟中围岩采用IV级围岩物理力学参数，断层区采用弱化围岩强度的方法并参考规范V级软岩进行模拟，模型上断层宽度是41.1米，倾角77°。隧道模型初期支护厚度为25cm，二次衬砌厚度为45cm。隧道采用超前支护、锚杆支护及复合式衬砌，并采用提高喷射混凝土和二衬混凝土的强度参数来模拟喷、网、钢拱架及钢筋混凝土二衬的支护效果。其中二次衬砌每10m长度为一个节段，二衬变形缝宽度为30cm，并在断层与IV级围岩的两个接触面及模拟错动时的围岩错动面上设置变形缝。采用分界面模拟断层滑动面，分界面的法向刚度和切向刚度取10倍的周边单元体的法向刚度10，为25GPa，其余参数按V级围岩参数取值。穿越断层隧道断层错动模拟的基本过程为：①建立有限差分网格模型②模拟初始应力场③模拟隧道开挖支护过程④模拟计算断层错动20cm后隧道结构的应力变形状态。
表1.1围岩及支护结构模型材料参数表
2.2有限差分模型
三维模型的边界条件Z方向下边界固定，左右面X方向固定，前后面Y方向固定，上表面为自由面。模型宽98.5m，纵向长度140m，沿隧道纵向坡面倾角为21°。
3不同支护强度的隧道结构在断层错动时应力变形特征分析
3.1计算工况
本节主要研究不同强度的支护参数条件下曲墙式隧道在断层发生错动时的变形及力学响应。根据隧道的不同支护条件，本节分为三种不同支护强度进行计算分析，如表1.2所示。
表1.2计算工况
3.2计算结果分析
（1）不同支护条件下，二衬垂直方向位移等值图对比分析
从计算结果可以看出，随着隧道衬砌强度增大，位于上盘中隧道的整体强度增加，并且使得位于断层区（51.5m~92.5m）的竖向位移减小。在下盘区隧道二衬竖向位移在C30衬砌是为最大。
（2）不同支护条件下，二衬最大主应力等值图对比分析
工况1二次衬砌的最大主应力除了在上盘隧道端部边界处出现应力集中外，在二次衬砌外侧衬砌最大主应力基本以受拉为主，最大主应力值大小在200MPa以内；二衬内侧局部拱脚出现拉应力为-5.8499MPa；洞身二衬外侧局部拱顶及部分拱腰位置出现压应力,最大值为-1.0425MPa；上盘IV级围岩与断层接触面二次衬砌节段连接拱腰处出现应力最大值为1.4MPa，仰拱位置主应力为1.6213MPa；在断层与下盘接触位置，二次衬砌节段连接拱腰处出现应力集中，最大值为9.2179MPa。
工况2二次衬砌的最大主应力除了在上盘隧道端部边界处出现应力集中外，在二次衬砌外侧衬砌最大主应力基本以受拉为主，最大主应力值大小在200MPa以内；二衬内侧局部拱脚出现拉应力为-6.009MPa；洞身二衬外侧局部拱顶及部分拱腰位置出现压应力,最大值为-1.0675MPa；上盘IV级围岩与断层接触面的二次衬砌节段连接拱腰处出现应力最大值为1.6MPa，仰拱位置主应力为1.6502MPa；在断层与下盘接触位置，二次衬砌节段连接拱腰处出现应力集中，最大值为12.651MPa。
工况3二次衬砌的最大主应力除了在上盘隧道端部边界处出现应力集中外，在二次衬砌外侧衬砌最大主应力基本以受拉为主，最大主应力值大小在200MPa以内；二衬内侧局部拱脚出现拉应力为-6.1534MPa；洞身二衬外侧局部拱顶及部分拱腰位置出现压应力，最大值为-2MPa；上盘IV级围岩与断层接触面二次衬砌节段连接拱腰处出现应力最大值为1.5MPa，仰拱位置主应力为1.9952MPa；在断层与下盘接触位置，二次衬砌节段连接拱腰处出现应力集中，最大值为11.154MPa。
4结论
（1）在隧道上盘发生错动时，从二次衬砌的竖向位移来看，隧道衬砌强度越高，隧道衬砌的整体刚度、强度越大，上盘隧道衬砌竖向位移最大值越小，并且位于断层区的衬砌竖向位移值也越小。下盘竖向位移值属C30衬砌的最大。从三种支护下的竖向位移得出，C30衬砌隧道在断层错动时竖向位移沿隧道纵向变化较为平缓。
（2）从隧道衬砌的竖向应力可以看出，当忽略边界效应引起的应力，衬砌的强度越大时，隧道衬砌的竖向应力越大。
（3）从隧道衬砌的最大最小主应力来看，在上盘IV级围岩区衬砌强度越大时衬砌的主应力越大；在断层及下盘区衬砌主应力岁强度增大整体呈增大趋势，在C30衬砌时为最大。
作者简介：郇星超长安大学公路学院桥梁与隧道工程专业，隧道工程方向